CN219286457U - 一种燃料电池双极板冷却流场结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种燃料电池双极板冷却流场结构，涉及金属板氢燃料电池电堆领域，包括极板，在极板的拐角处设置有以极板中心点为中心对称的冷却液进口歧管和冷却液出口歧管，进口歧管和出口歧管均为梯形结构；进口歧管处设置有进口分配区流道，极板上设置有与进口分配区流道连通的主冷却流场流道，出口歧管处设置有出口分配区流道，主冷却流场流道另一端与出口分配区流道连通；冷却流体从进口歧管经进口分配区流道、主冷却流场流道以及出口分配区流道传输至出口歧管流出。本实用新型通过分配流道将电堆歧管与主反应区流道直连，降低了冷却液在冷却流道中的流动阻力，使水泵的功耗降低。保证进入分配区的流体压力、流速更加均匀。

Description

一种燃料电池双极板冷却流场结构

技术领域

本实用新型涉及氢燃料电池电堆领域，具体为一种燃料电池双极板冷却流场结构。

背景技术

面对日益突出的能源危机和环境问题，氢能一直被认为是最具发展潜力的清洁能源。质子交换膜燃料电池电堆在移动电源、小型固定发电站和电动汽车等领域备受青睐，其基本结构包括双极板、膜电极、密封件和封装端板等，燃料气体和氧化气体分别通过两侧的双极板进入与之相邻的扩散层进行化学反应，对于大功率燃料电池电堆(通常功率＞5kW)，在双极板中间有用于散热的冷却通道，将反应产生的废热排出电堆外，防止积热影响化学反应的正常进行反应效率降低，甚至烧坏膜电极引发安全事故。良好的电堆散热不仅依赖于燃料电池发动机的辅助散热系统，也与双极板的冷却流场设计密切相关。

传统的质子交换膜燃料电池通常采用蛇形流场或过渡区流场配合平行流场的方式，均存在进出口压差过大，冷却水泵功耗增加的问题，同时电堆因压差过大易造成冷却液外泄现象，电堆运行的安全稳定性存在一定的风险。此外，冷却流体在冷却流道中普遍存在分配不均的现象，在电堆运行时易出现局部热点，烧坏膜电极甚至引发安全事故。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种燃料电池双极板冷却流场结构，以解决上述背景技术中提出的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：一种燃料电池双极板冷却流场结构，包括极板，在极板的拐角处设置有以极板中心点为中心对称的冷却液进口歧管和冷却液出口歧管，

进口歧管和出口歧管均为梯形结构；

进口歧管处设置有进口分配区流道，极板上设置有与进口分配区流道连通的主冷却流场流道，出口歧管处设置有出口分配区流道，主冷却流场流道另一端与出口分配区流道连通；冷却流体从进口歧管经进口分配区流道、主冷却流场流道以及出口分配区流道传输至出口歧管流出。

优选的，主冷却流场流道位置水平，且进口分配区流道位置高于出口分配区流道。

优选的，分配区流道与主冷却流场流道连接处的夹角大于120°。

优选的，分配区流道与主冷却流场流道连接处作倒圆角处理。

优选的，分配区流道与主冷却流场流道配比为1:3或者采用一分三的结构。

优选的，进口歧管、出口歧管以及各个流道的四周设置有冷却场密封槽。

优选的，主冷却流场流道的进水端形成阶梯型凸台一和阶梯型凸台二；另一端为阶梯型凸台三和阶梯型凸台四。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型通过分配流道将电堆歧管与主反应区流道直连，降低了冷却液在冷却流道中的流动阻力，使水泵的功耗降低。歧管形状为梯形结构，可以保证电堆在稳定运行时冷却液按照一定的压力梯度分布，保证进入分配区的流体压力、流速更加均匀。冷却液在流经的途径上重力势能不断的减小，配合歧管内形成的压力梯度，可以极大的减少冷却液的阻力损失，降低水泵负载，提高系统的输出效率。

而且降低了冷却液在冷却流道中的沿程阻力损失及局部阻力损失，一方便提高了电堆的冷却效率，另一方面使水泵的功耗降低。处于分配区的冷却流体压力、流速分布更为均匀稳定，防止了电堆在运行过程中的局部热点产生。

附图说明

图1为本实用新型双极板冷却流场正视图；

图2为本实用新型双极板冷却流场轴测图；

图3为本实用新型冷却液进口分配区局部示意图；

图4为本实用新型冷却液出口分配区局部示意图；

图5为本实用新型冷却流场流道一端的局部放大立体图；

图6为本实用新型冷却流场流道一端的局部放大立体图。

图中：1、进口歧管；2、进口分配区流道；3、主冷却流场流道；4、阶梯型凸台一；5、阶梯型凸台二；6、冷却场密封槽、7、阶梯型凸台三；8、阶梯型凸台四；9、出口分配区流道；10、出口歧管。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-2和图5-6，本实施例提供了一种燃料电池双极板冷却流场结构，包括极板，在极板的左上角固定设置有冷却液进口歧管1、右下角固定设置有冷却液出口歧管10，形状为梯形，其面积尺寸为2500mm²，可以保证通过叠加单电池数量增加电堆功率至150kW时，冷却流体流速保持在安全流速内。

歧管(包括进口歧管1和出口歧管10)的梯形形状结构，在电堆工作时可以形成一定的压力梯度。

进口歧管1处设置有进口分配区流道2，在极板上还固定安装有主冷却流场流道3，进口分配区流道2与主冷却流场流道3连通。出口歧管10处设置有出口分配区流道9，主冷却流场流道3另一端与出口分配区流道9连通。

在各歧管以及流场四周设置有冷却场密封槽6，以安装密封件实现密封，密封槽6的宽度为2～3mm，深度为0.35～0.5mm，可采用预制密封件或点胶成型的方法实现冷却流场密封。如图1-2所示。

冷却流体由进口歧管1流入，经进口分配区流道2、主冷却流场流道3以及出口分配区流道9传输至出口歧管10流出。主冷却流场流道3位置水平，且进口分配区流道2位置高于出口分配区流道9，冷却液在流经的途径上重力势能不断的减小，配合歧管内形成的压力梯度，可以极大的减少冷却液的阻力损失，降低水泵负载，提高系统的输出效率。

本实施例中，分配区流道2与主冷却流场流道3连接处的夹角大于120°，且做一定的倒圆角处理，在流体流经此处时，降低了拐角处产生的局部水头损失，进一步减少了冷却液的流动阻力。

在分配区流道与主冷却流场流道配比为1：3，即采用一分三的结构。同时在主冷却流场肋的两端做一定的降面处理，在一端形成阶梯型凸台一4、阶梯型凸台二5，如图1和图3所示。以及另一端的阶梯型凸台三7、阶梯型凸四台8，如图1和图4所示，同时阶梯型凸台一4、阶梯型凸台二5，以及另一端的阶梯型凸台三7、阶梯型凸四台8以不同的尺寸深入到分配区流道2内，这样可以保证冷却液由进口分配区2进入主冷却流场流道3时，因为阶梯型凸台一4、阶梯型凸台二5、阶梯型凸台三7、阶梯型凸四台8的作用，对冷却液起到一定的分配作用，使得进入主冷却流场流道3的液态均匀、稳定，从而避免局部热点的产生，提高电堆运行可靠性及耐久性。

主冷却流场流道3的宽度为0.8～1.2mm，深度为0.4～0.6mm；进口分配区、出口分配区流道的深度与主冷却流场流道深度相同，宽度为2～2.5mm。

通过分配流道将电堆歧管与主反应区流道直连，降低了冷却液在冷却流道中的流动阻力，使水泵的功耗降低。歧管形状为梯形结构，可以保证电堆在稳定运行时冷却液按照一定的压力梯度分布，保证进入分配区的流体压力、流速更加均匀。分配流道与主冷却流场流道为一分三结构，同时在主冷却流场流道肋的两端一小部分采用降面处理，可起到分配冷却流体作用，保证进入各分支流道的流体均匀、稳定。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种燃料电池双极板冷却流场结构，其特征在于：包括极板，在极板的拐角处设置有以极板中心点为中心对称的冷却液进口歧管(1)和冷却液出口歧管(10)，

进口歧管(1)和出口歧管(10)均为梯形结构；

进口歧管(1)处设置有进口分配区流道(2)，极板上设置有与进口分配区流道(2)连通的主冷却流场流道(3)，出口歧管(10)处设置有出口分配区流道(9)，主冷却流场流道(3)另一端与出口分配区流道(9)连通；冷却流体从进口歧管(1)经进口分配区流道(2)、主冷却流场流道(3)以及出口分配区流道(9)传输至出口歧管(10)流出。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板冷却流场结构，其特征在于：所述主冷却流场流道(3)位置水平，且进口分配区流道(2)位置高于出口分配区流道(9)。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板冷却流场结构，其特征在于：所述分配区流道(2)与主冷却流场流道(3)连接处的夹角大于120°。

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池双极板冷却流场结构，其特征在于：所述分配区流道(2)与主冷却流场流道(3)连接处作倒圆角处理。

5.根据权利要求3所述的一种燃料电池双极板冷却流场结构，其特征在于：所述分配区流道(2)与主冷却流场流道(3)配比为1:3或者采用一分三的结构。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板冷却流场结构，其特征在于：所述进口歧管(1)、出口歧管以及各个流道的四周设置有冷却场密封槽(6)。

7.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板冷却流场结构，其特征在于：所述主冷却流场流道(3)的进水端形成阶梯型凸台一(4)和阶梯型凸台二(5)；另一端为阶梯型凸台三(7)和阶梯型凸台四(8)。

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